JP2741889B2 - 気体分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は気体分離装置に係り、特にPSA式（Pressure
Swing Adsorption）の気体分離装置に関し、例えば窒素
発生装置又は酸素発生装置として用いて好適な気体分離
装置に関する。

従来の技術 一般に、PSA式気体分離装置は、分子ふるいカーボン
からなる吸着剤を用いて、空気を窒素と酸素に分離し、
いずれか一方を製品ガスとして取出し、使用するもので
ある。

このため、例えばPSA式窒素発生装置（全体構成につ
いては、例えば実願昭62−172041参照）にあっては、吸
着剤を充填した吸着塔に圧縮空気を導入して昇圧する吸
着工程と、該吸着塔内を大気開放し又は真空ポンプで減
圧する脱着工程とを繰返し、吸着工程では吸着塔内の吸
着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取出し、一
方脱着工程では吸着された酸素を脱着し、次の吸着工程
に備えるようになっている。（この一連の工程を、以下
OKモードという）。

また、高純度の製品ガス（例えば窒素ガス）を起動開
始から短時間で効率良く発生させるため、また運転中に
おいては製品ガス濃度が低下した際速やかに濃度を回復
させるため、吸着工程（但し、製品ガスの製品タンクへ
の吐出は行なわない）後に製品タンク内の製品ガスを吸
着塔内に還流させるようになっている（以下、この工程
をNGモードという。尚、還流工程の詳細については前記
の実願昭62−172041参照）。

更に気体分離装置には、温度により製品ガスの濃度変
化が生じないようにコンプレッサからの圧縮空気を除湿
するための空気ドライヤが設けられている（実願昭63−
66388参照）。この空気ドライヤは構造上起動と同時に
除湿を行なうことはできず、５分間程度の準備運動を必
要とする（以下、この工程を準備モードという）。そし
て、この準備モードが終了した後、コンプレッサが起動
し空気ドライヤにより除湿された空気が吸着塔に導入さ
れる構成とされている。

一方、気体分離装置には、製品タンク近傍に製品タン
クに導入される製品ガスの濃度を測定するセンサー（一
般にO₂センサを用いる）と、このセンサを含め気体分離
装置を構成する電磁弁、コンプレッサ、空気ドライヤ等
が接続され上記各モードの切換えコントロール等を行な
う制御手段（シーケンサ）が設けられている。

上記構成の従来の気体分離装置（以下、単に装置とい
う）では、始動スイッチがONされるとシーケンサは装置
を準備モードとし、空気ドライヤの準備運動を行ない、
その後センサからの濃度信号によりセーケンサはOKモー
ドとNGモードを適宜切換えて純度の高い製品ガスのみを
製品タンクに供給するように構成されていた。

発明が解決しようとする課題 しかるに上記従来の装置では、準備モード、OKモー
ド、NGモードの３つのモードしか持っていなかったた
め、次に示すような課題を生じていた。

準備モード終了後、吸着等へ空気を供給し、吸着を
行わせても、所定の純度以下の製品ガスが出てくる。こ
れは停止状態では吸着塔内に入っている吸着剤の吸着状
態が吸着・脱着を繰り返している状態（OKモードでの状
態）と違っているために所定の能力を発揮しないためで
ある。またこの所定の能力を出すまでの時間は停止時間
が長くかかる。このためNGモードとなることにより装置
は吸着工程及び還流工程を繰返しやがて所定純度の製品
ガスが発生する。するとセンサはこれを検知し、またセ
ンサからの信号を受けたシーケンサは装置をOKモードと
し製品ガスは直ちに製品タンク内に収納されてゆく。

しかるに、上記のセンサが所定純度を検知した状態
は、製品ガスの濃度がやっと所定値以上となった状態で
あり、この状態で製品ガスを製品タンクに向けて吐出し
吸着塔内の圧力が低下すると製品ガスの濃度はまたすぐ
に所定濃度以下となり装置はNGモードとなる場合があ
る。このように、従来の装置では始動時においてOKモー
ドとNGモードの切換えが頻繁に行なわれ、かつNGモード
で動作する時間が長くかかるため安定した製品ガスの生
成ができないと共に、製品ガス濃度が低下し易いという
課題があった。

また、始動後しばらくした運転状態においても、上
記と似た状態が発生する。即ち、運転中製品ガスの濃度
が低下し装置がNGモードとなり、その後製品ガスの使用
量が増大しガス濃度が所定値以上となりOKモードになっ
たとする。この時、塔内の圧力は低下し、これに伴い製
品ガスの濃度が低下し再びNGモードに切換ってしまう。
よって、運転中においてもOKモードとNGモードが頻繁に
切換り（始動時よりは発生件数は少ない）、製品ガス濃
度の低下が生ずる虞れがあるという課題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、純度
の高い製品ガスを安定して生成し得ると共に特に始動時
におけるいわゆる立ち上がり時間を短かくし得る気体分
離装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本発明では、 内部に吸着剤が充填された吸着塔に、圧縮した原料気
体を供給し、該吸着剤により生成された製品ガスを取出
し製品タンク内に蓄圧する気体分離装置において、 生成される製品ガスの濃度検出を行なう濃度検出手段
を設けると共に、 吸着工程とこれに続く脱着工程を１サイクルとし、２
サイクルを一単位として作動して上記吸着工程において
上記製品ガスを製品タンクに供給する工程（OKモード）
と、 吸着工程及び還流工程を一単位として作動し、吸着塔
内の製品ガス濃度及び圧力を高める工程（NGモード）
と、 上記製品タンクに対し製品ガスを供給しない点を除き
上記OKモードと同一動作を行なう工程（初期モード）
と、 始めの１サイクル動作において上記製品タンクに対し
製品ガスを供給しなう点を除き上記OKモードと同一動作
を行なう工程（WAモード）とを、上記濃度検出手段から
の濃度検出信号に基づき切換え操作を行なう制御手段を
設けたことを特徴とする。

作用 上記構成とされた気体分離装置では、製品ガスの濃度
に基づき装置の状態をOKモード、NGモード、初期モー
ド、WAモードの４つのモードから選定して設定すること
ができる。

OKモードは最初から製品ガスを製品タンクへ供給する
構成となっているため、吸着塔内の圧力及び製品ガス濃
度が十分に上昇している時に選定すべきモードである。

NGモードは吸着動作と還流動作とを繰返し行なうモー
ドであるため、運転中において吸着塔内の圧力及び製品
ガス濃度の低下が著しい時に選定すべきモードである。

初期モードはOKモードと同一動作を行なうが生成され
る製品ガスは製品タンクに供給されないため吸着塔内に
残留する。よって吸着塔内の圧力及び製品ガス濃度は急
激に上昇するため、特に始動時に選定すべきモードであ
る。

また、WAモードはOKモードにおいて１サイクル終了す
るまで製品ガスの製品タンクへの供給を待つ構成とされ
ており、この１サイクル分だけ吸着塔内の圧力及び製品
ガス濃度は上昇する。よって、WAモードは初期モードか
らOKモードへの切換え時、及びNGモードからOKモードへ
の切換え時に選定すべきモードである。

実施例 次に本発明の実施例について図面と共に説明する。

第１図は本考案になる気体分離装置の一実施例として
の窒素発生装置（以下、単に装置という）の概略構成図
である。尚、本実施例では吸着塔を２本有する装置につ
いて説明する。

同図中、1,2は第１、第２の吸着塔で、各吸着塔1,2内
にはそれぞれ分子ふるいカーボン1A,2Aが充填されてい
る。

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプレ
ッサ３からの圧縮空気は、ドライヤ3a、配管6,7を介し
吸着塔1,2にそれぞれ交互に供給されるようになってお
り、このため該配管6,7の途中にはそれぞれ電磁弁から
なる空気供給用弁8,9が設けられている。

又、コンプレッサ３の上流側に配設された配管４は、
大気中の空気を原料気体として供給するための吸気用配
管であって、コンプレッサ３の吸気側に接続されてい
る。配管４には電磁弁よりなる吸気用弁５が配設されて
おり、この吸気用弁５は装置の作動中開弁している。

10,11は脱着時に吸着塔1,2からの気体を排出する配管
で、共通排出配管12に接続されており、排出配管12は脱
着排ガスを排出するようになっている。そして、前記配
管10,11の途中にはそれぞれ吸着塔1,2内の脱着排ガスを
半サイクル毎に交互に排出する電磁弁からなる気体排出
用弁13,14が設けられている。

15,16は吸着塔1,2からの窒素をそれぞれ取出す取出弁
配管、17は各配管15,16と連結した取出配管で、配管15,
16の途中には半サイクルの間だけ後述の制御の下に交互
に開弁する電磁弁からなる取出用弁18,19がそれぞれ設
けられている。また前記取出配管17は還流用タンク20と
接続されている。

21は吸着塔1,2間を連通する配管、22は配管21の途中
に設けられた電磁弁からなる均圧用弁で、均圧用弁22は
吸着塔1,2による半サイクルの終了時に所定の短時間だ
け開弁し、吸着塔1,2間を均圧にする。

23は還流用タンク20に接続された取出配管で、その途
中には電磁弁24及び逆止弁25が設けられている。26は濃
度計（濃度検出手段）で還流用タンク20に接続されてい
る。又濃度計26には酸素センサが使用されており、濃度
計26は還流用タンク20の酸素濃度を測定する。

この濃度計26は還元用タンク20内の窒素ガス中に含ま
れている酸素濃度を監視しており、酸素濃度に比例した
電流値の信号を出力する。即ち、各吸着塔1,2内のガス
の窒素濃度が下ると、必然的に還元用タンク20の酸素濃
度が高まるため、濃度計26は還元用タンク20内の窒素濃
度が低濃度となったことを検出できる。又、濃度計26か
らの酸素濃度測定信号は後述する制御回路27に入力され
る。

なお、濃度計26に使用される酸素センサとしては酸素
分子の常磁性を利用した磁気式酸素センサ、酸素が透過
膜を介して電解液に入ると電極で酸化還元反応が起き電
流が流れるのを利用した電磁式酸素センサ、ジルコニア
磁気の内外面に電極を設け、酸素濃度によって起電力が
発生するのを利用したジルコニア式酸素センサ等が用い
られる。

また、制御回路27は例えばマイクロコンピュータ等に
よって構成される制御手段で、濃度計26から出力された
信号に基づいて後述する各モードを選定し、選定された
モードに従って各弁やコンプレッサ、ドライヤ等の制御
を行なうものである。

還流用タンク20は配管23及び逆止弁25等を介して製品
ガスとしての窒素ガスを貯溜する製品タンク28に直列に
接続されている。製品タンク28には製品ガスである窒素
ガスを下流側に供給する取出配管29が接続されており、
取出配管29の途中には取出用弁30等が配設されている。

上記構成を有する装置31は、準備モード、OKモード、
初期モード、NGモード、WAモードの５つのモードを有し
ている。以下各モードにおける装置31の動作について説
明する。

準備モード 準備モードは、従来の気体分離装置においても有して
いたモードであり、始動後ドライヤ3aが立ち上がるまで
準備運転を行なうモードである。この準備モードは約５
分程度行なわれるが、制御回路25内にはタイマを有して
おり、このタイマにより準備モードは時間管理される。
即ち、制御回路25は、始動スイッチがONにされると装置
31を準備モードとし、約５分経過後準備モードを終了さ
せる（詳細については、前記の実願昭63−66388参
照）。

OKモード OKモードは各吸着塔1,2において製品ガスを生成し製
品タンク28に蓄圧するモードである。OKモードにおける
具体的な動作について第２図を用いて説明する（尚、図
中開弁された弁は白抜きで、閉弁された弁は黒塗りで示
す）。第２図（Ａ）は第１の吸着塔１が脱着工程にあ
り、第２の吸着塔２が昇圧工程にある状態を示してい
る。第２の吸着塔２が所定圧力まで昇圧されると取出用
弁19が開弁され、第２図（Ｂ）に示すように生成された
製品ガスは還流用タンク20に流入する。OKモードにおい
ては、電磁弁24は開弁されており、従って製品ガスは還
流用タンク20から電磁弁24、逆止弁25を介して製品タン
ク28に供給され、ここに貯えられる。第２の吸着塔２に
おける吸着工程が終了すると第２図（Ｃ）に示されるよ
うに排出用弁13及び取出用弁19が閉弁されると共に均圧
用弁22が開弁され装置31は均圧工程に移る。

続いて第２図（Ｄ），（Ｅ）に示すように、今後は第
１の吸着塔１が吸着工程となり製品ガスを生成し、第２
の吸着塔２が脱着工程となり、第２図（Ｆ）に示す均圧
工程で１サイクルが終了する。OKモードは上記第２図
（Ａ）〜（Ｆ）で示すサイクルを１サイクルとし、２サ
イクルを一単位として作動する。

上記OKモードは、生成された製品ガスが逐次製品タン
ク28に供給されてゆくため、吸着工程にある吸着塔の内
圧及び製品ガス濃度の低下が他のモードに比べ最も速い
という特性を有している。

初期モード 初期モードの動作は、上記したOKモードと略同一であ
るが、モードの動作中電磁弁24が閉弁している点で異な
る。初期モードの動作を第３図（Ａ）〜（Ｆ）に示す。
この初期モードは第３図（Ａ）〜（Ｆ）に示す１サイク
ルを単位として作動するものであり、前記のようにこの
モードでは電磁弁24が閉弁しているため製品ガスは還流
用タンク20に貯えられる。このようにして、初期モード
では還流用タンク20の内圧を上昇させることができると
いう特性を有している。

NGモード NGモードは工程中に還流用タンク20に蓄圧されたガス
を各吸着塔1,2に還流させる工程を有しており、吸着工
程における吸着塔1,2で生成される製品ガスの純度向上
及び昇圧時間の短縮を図る目的で行なわれるものであ
る。具体的な工程を第４図（Ａ）〜（Ｄ）に示す。尚、
このNGモードにおいても電磁弁24は閉弁されており、各
吸着塔1,2で生成された製品ガスは製品タンク28には供
給されぜ還流用タンク20に貯えられる構成となってい
る。

第４図（Ａ）は第１の吸着塔１が脱着工程となってお
り、第２の吸着塔２が昇圧工程となっている状態を示し
ている。この時、第２の吸着塔２には、コンプレッサ３
から圧縮空気が導入されると共に、取出用弁19が開弁さ
れることにより還流用タンク20内に蓄圧された製品ガス
が流入する。よって、短時間で吸着塔２内の圧力は所定
圧力に昇圧すると共に、吸着塔２内における窒素濃度は
単に空気を導入する場合に比べて高い値となる。やがて
圧縮空気の圧力は還流する製品ガスの圧力より大とな
り、吸着塔２は吸着工程となる。第４図（Ｂ）は吸着塔
２が吸着工程にある状態を示している。この時、還流用
タンク20に蓄圧される製品ガスの純度は、上記の理由よ
り単に空気を吸着したものに比べて高精度のガスとな
る。

続いて第４図（ｃ），（ｄ）に示されるように第１の
吸着塔１に対しても同様の処理が行なわれ、第１の吸着
塔１からも高純度の製品ガスが還流用タンク20に蓄圧さ
れる。

上記のように、NGモードでは、短時間において還流用
タンク20内の製品ガス濃度を高めることができ、このモ
ードを繰返し行なうことによりその濃度（純度）は次第
に高い値となるという特性を有している。

WAモード WAモードは前記したOKモードと初期モードの中間的な
モードである。このWAモードもOKモードと同様に２サイ
クルを一単位として作動するが、始めの１サイクルは初
期モードと同様な動作（即ち、電磁弁24が閉弁されてい
る）を行ない、続く２サイクル目はOKモードと同様な動
作（即ち、電磁弁24が開弁される）を行なうよう構成さ
れている。

上記WAモードでは、OKモードに比べて１サイクル分だ
け製品タンク28への製品ガスの供給が遅れ還流用タンク
20に蓄圧される中間的な動作を行なうため、各モードの
切換え時に選定することにより円滑な切換えを行ない得
るという特性を有する。

尚、上述してきた各モードは夫々制御回路27内のROM
内にプログラムされており、濃度計26からの濃度信号に
基づき制御回路27内のCPUがモードの選定を行なうと、
装置31はROMに記憶されている各モードのプログラムに
従い各モード動作を行なう構成とされている（第１図参
照）。

次に、制御回路27の行なう制御処理（モード選択処
理）について説明する。第５図は制御回路27が行なう処
理を示したフローチャートである。

起動スイッチがONにされると（ステップ１、以下ステ
ップをＳで略称する）、制御回路27は装置31を準備モー
ドとする（S2）。準備モードは前記のように時間管理さ
れており、制御回路27内のタイマにより所定時間が経過
すると準備モードは終了する。

準備モードが終了すると制御回路27は濃度計26からの
濃度（Pn,尚,Pnは窒素濃度に変換されてる）を読み取
り、これが所定の製品ガス濃度（Po）より高いか否かを
判断する。ここで、還流用タンク20内の製品ガスの濃度
Pnが所定濃度Poより低い場合には、制御回路27は装置31
を初期モードとする（S4）。これにり装置31は前記した
初期モード動作を行ない、１サイクル分の製品ガスが還
流用タンク20に蓄圧される。

初期モードが終了すると、制御回路27は再び濃度計26
から濃度信号を読み、還流用タンク20内の製品ガスの濃
度Pnが所定値Poに達しているか否かを判断する（S5）。
このように準備モード終了後、及び初期モード終了後に
製品ガスの濃度を判断（S3,S5）するのは、装置31が長
時間運転後一旦停止され、またすぐに起動された場合に
は上記各モード終了時において所定濃度Poの製品ガスを
直ちに生成し得る場合があるからである。尚、準備モー
ド終了後、直ちに製品ガス濃度が所定濃度Poとなる場合
は少ないため、S3を除き、準備モード終了後、直ちに初
期モードの動作を行なわせる構成としても良い。

S5において所定濃度に達していないと判断されると、
制御回路27は装置31をNGモードとする（S6）。このNGモ
ードは還流用タンク20内の製品ガスが所定濃度Po以上と
なるまで続けられる（S7）。

一方、S3,S5,S7において還流用タンク20内の製品ガス
濃度Pnが所定濃度Poより高いと判断されると、制御回路
27は装置31をWAモードとし（S8）、WAモード終了後OKモ
ードとする（S9）。このOKモードは還流用タンク20内の
製品ガスの濃度Pnが所定濃度Po以下となるまで続けられ
（S10）、各吸着塔1,2で生成される製品ガスは製品タン
ク28に供給される。このように、製品タンク28に供給さ
れる製品ガスは所定濃度Po以上であることを保証されて
おり、製品ガスの信頼性を高めることができる。

また、上記説明から明らかなように、装置31では、製
品ガスを製品タンク28に供給するOKモードへは、製品ガ
ス濃度Pnが所定濃度Po以上となれば、準備モード或は初
期モードからOKモードへモード切換えが行なわれる構成
となっている。このように製品ガスの濃度Pnに対応した
最も適当なモード選定が行なわれるため、製品ガス生成
の要する立ち上がり時間を短くでき、効率良く製品ガス
を生成することができる。特に始動時においては、準備
モード終了後及び初期モード終了時に夫々濃度の判断
（S3,S5）を行なっているため、始動時における立ち上
がり効率を向上させることができる。

また、装置31は準備モード、初期モード、NGモード終
了後において製品ガス濃度Pnが所定濃度Po以上と判断
（S3,S5,S7）されても、直ちにWAモードとなるのではな
く、WAモードを経た後にOKモードへモード切換えが行な
われる構成となっている。従って、始動時に行なわれる
準備モード及び初期モード終了後、製品ガス濃度Pnが所
定濃度Po以上となってもWAモードにおいて１サイクル分
の製品ガスが更に還流用タンク20内に蓄圧される。よっ
て、WAモード後OKモードとなり電磁弁24が開弁され製品
ガスが製品タンク28に供給されることにより、各吸着塔
1,2内の圧力低下や製品ガス濃度の低下が生じてもWAモ
ードにより１サイクル分の製品ガスが所定濃度Poとなっ
た時に比べ過剰に還流用タンク20内に蓄圧されているた
め、各吸着塔1,2内の製品ガス濃度Pnが所定濃度以下と
なることはなくS10により直ちに装置31がNGモードに戻
るようなことはない。

従って、製品ガスの安定した製品タンク28への供給を
行なうことができ、またモード切換時に発生しやすい製
品ガスの純度低下を防止することができる。加えて、NG
モード終了後においてもWAモードは実施されるため、上
記と同様の理由より運転中においても製品ガスの安定供
給及び製品ガスの純度低下を防止することができる。S1
1において停止スイッチがONされたと判断すると装置31
は停止する（S11）。

尚、本実施例では吸着塔を２本用いる装置を例に挙げ
て説明したが、１本或は複数本の吸着塔を用いる装置に
ついても適用できることは勿論である。

また、本実施例では製品タンク28と別個に還流用タン
ク20を設けた構成の気体分離装置31について説明した
が、還流用タンク20は必ずしも必要なものではなく、第
６図に示すように製品タンク32に濃度計26を配設し製品
タンク32に還流用タンクとしての機能を持たせても良
い。第６図に示す気体分離装置33によれば、第１図に示
す気体分離装置31に比べ構造の簡単化、部品点数の削
減、及び装置の小型化を図ることができる。尚、気体分
離装置33では還流用タンクが存在しないことにより製品
タンク32内の製品ガス濃度の変動が気体分離装置１に比
べて大となるが、電磁弁30の開弁のタイミングを適宜行
なうことにより所定濃度の製品ガスを配管29に供給する
ことができ、問題の生ずることはない。

発明の効果 上述の如く、本発明によれば、濃度検出手段からの信
号に基づき制御手段は初期モード、OKモード、NGモー
ド、WAモードを選定できるため、吸着塔内の状態に最も
適したモードを選定することにより始動時における立ち
上がり時間を短くすることができ、また始動時及び運転
時における安定した製品ガスの生成及び製品ガスの純度
維持を図ることができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である気体分離装置の全体構
成を示す図、第２図はOKモードにおける装置の動作を説
明するための図、第３図は初期モードにおける装置の動
作を説明するための図、第４図はNGモードにおける装置
の動作を説明するための図、第５図は制御回路の行なう
処理を説明するための図、第６図は本発明の変形例であ
る気体分離装置の全体構成図である。 １……第１の吸着塔、２……第２の吸着塔、1A,2A……
分子ふるいカーボン、３……コンプレッサ、3a……ドラ
イヤ,20……還流用タンク、24……電磁弁、26……濃度
計、27……制御回路、28……製品タンク、31……装置
（気体分離装置）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に吸着剤が充填された吸着塔に、圧縮
   した原料気体を供給し、該吸着剤により生成された製品
   ガスを取出し製品タンク内に蓄圧する気体分離装置にお
   いて、 生成される製品ガスの濃度検出を行なう濃度検出手段を
   設けると共に、 吸着工程とこれに続く脱着工程を１サイクルとし、２サ
   イクルを一単位として作動し上記吸着工程において上記
   製品ガスを製品タンクに供給する工程（OKモード）と、 吸着工程及び還流工程を一単位として作動し、吸着塔内
   の製品ガス濃度及び圧力を高める工程（NGモード）と、 上記製品タンクに対し製品ガスを供給しない点を除き上
   記OKモードと同一動作を行なう工程（初期モード）と、 始めの１サイクル動作において上記製品タンクに対し製
   品ガスを供給しない点を除き上記OKモードと同一動作を
   行なう工程（WAモード）とを、上記濃度検出手段からの
   濃度検出信号に基づき切換え操作を行なう制御手段を設
   けたことを特徴とする気体分離装置。